Molecular identification and expression of sesquiterpene pathway genes responsible for patchouloi biosynthesis and regulation in Pogostemon cablin
- 作者
- Yun Tang, Liting Zhong, Xiaobing Wang, Hai Zheng, Likai Chen
- 单位
- Research Center of Chinese Herbal Resource Science and Engineering, Key Laboratory of Chinese Medicinal Resource From Lingnan (Guangzhou University of Chinese Medicine), Ministry of Education, Joint Laboratory of National Engineering Research Center for the Pharmaceutics of Traditional Chinese Medicines, Guangzhou University of Chinese Medicine; Guangdong Institute of Traditional Chinese Medicine
- 杂志
- Botanical Studies（2019）
- DOI
- 10.1186/s40529-019-0259-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
广藿香中参与广藿香醇生物合成的倍半萜途径基因的鉴定与调控机制尚不清楚，缺乏对MVA和MEP途径相关基因的整合分析。
研究策略
利用广藿香转录组数据鉴定萜类生物合成相关基因，分析其组织表达模式；克隆关键基因并进行序列、保守结构域和系统进化分析；通过大肠杆菌颜色互补实验验证MEP途径和IPPI的功能；采用外源激素（MeJA、ABA、SA）处理结合GC-MS和qRT-PCR分析广藿香醇含量及途径基因表达变化。
核心内容
本研究对广藿香中参与广藿香醇生物合成的倍半萜途径基因进行了系统鉴定与功能分析。通过整合转录组数据，共获得74个萜类生物合成相关基因，隶属15个基因家族，并克隆表征了15个关键基因，涵盖MVA途径6个、MEP途径7个以及PatIPPI和PatFPPS。组织表达分析显示这些基因具有明显的表达特异性。利用大肠杆菌颜色互补实验，验证了PatDXS、PatDXR、PatMCT、PatCMK、PatMDS、PatHDS、PatHDR和PatIPPI的催化活性，功能互补菌株呈现β-胡萝卜素特征的橙色表型。外源激素处理结合GC-MS与qRT-PCR分析表明，茉莉酸甲酯（MeJA）处理8小时后广藿香醇含量显著增加37.03%，同时MVA途径关键基因PatAACT、PatHMGR、PatMVD被上调2至3倍，PatFPPS表达平均上调3倍，而ABA和SA未呈现类似促进效果。研究首次对广藿香MVA和MEP途径基因进行整合分析，证明广藿香醇生物合成主要受MVA途径调控且可被MeJA诱导，为通过遗传工程提升广藿香醇产量奠定了理论基础。
创新点
首次对广藿香MVA和MEP途径相关基因进行整合分析；鉴定出74个萜类生物合成相关基因并明确其组织表达特异性；通过功能互补实验验证了MEP途径基因和IPPI的催化活性；证明MeJA通过诱导MVA途径关键基因（PatAACT、PatHMGR、PatMVD、PatFPPS）促进广藿香醇积累。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MVA途径 | PatAACT | AACT | 催化 | 乙酰辅酶A硫解酶，催化两分子乙酰辅酶A缩合为乙酰乙酰辅酶A；受MeJA诱导上调2-3倍 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MVA途径 | PatHMGS | HMGS | 催化 | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶，催化乙酰辅酶A与乙酰乙酰辅酶A缩合 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MVA途径 | PatHMGR | HMGR | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶，催化HMGCoA生成甲羟戊酸；受MeJA诱导上调 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MVA途径 | PatMVK | MVK | 催化 | 甲羟戊酸激酶 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MVA途径 | PatPMK | PMK | 催化 | 磷酸甲羟戊酸激酶 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MVA途径 | PatMVD | MVD | 催化 | 甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶；受MeJA诱导上调2-3倍 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MEP途径 | PatDXS | DXS | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，共14个转录本；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MEP途径 | PatDXR | DXR | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MEP途径 | PatMCT | MCT | 催化 | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胞苷酰转移酶；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MEP途径 | PatCMK | CMK | 催化 | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MEP途径 | PatMDS | MDS | 催化 | 2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环焦磷酸合酶；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MEP途径 | PatHDS | HDS | 催化 | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | MEP途径 | PatHDR | HDR | 催化 | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | 倍半萜前体合成 | PatIPPI | IPPI | 催化 | 异戊烯基焦磷酸异构酶，催化IPP与DMAPP互变；功能互补验证有活性 |
| 广藿香（Pogostemon cablin） | 倍半萜前体合成 | PatFPPS | FPPS | 催化 | 法尼基焦磷酸合酶，催化IPP与DMAPP缩合生成FPP；受MeJA诱导上调约3倍 |
关键发现
- 从广藿香转录组获得74个萜类生物合成相关基因，隶属15个家族
- 克隆并表征了15个基因（6个MVA途径、7个MEP途径、PatIPPI、PatFPPS）
- MeJA处理8小时后广藿香醇含量显著增加37.03%
- qRT-PCR显示MVA途径基因AACT、HMGR、MVD被MeJA上调2-3倍，FPPS表达平均上调3倍
- 功能互补实验证明PatDXS、PatDXR、PatMCT、PatCMK、PatMDS、PatHDS、PatHDR和PatIPPI具有催化活性，使大肠杆菌产生β-胡萝卜素（橙色菌落）。
研究结论
广藿香醇生物合成主要受MVA途径基因（PatAACT、PatHMGR、PatMVD、PatFPPS）调控，且受MeJA诱导；MEP途径相关基因和PatIPPI活性经大肠杆菌功能互补验证；本研究为通过遗传工程提高广藿香醇产量提供了理论基础。